本申请公开了种高分辨力准分布式物理量测量方法，通过耦合于待测物体的光纤光栅阵列测量待测物体的物理量变化，其采用分布式反馈阵列激光器提供拼接的测量光并将测量物理状态下的中心波长与所述光纤光栅阵列上各个光纤光栅各自的初始中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到所述光纤光栅阵列上各个光纤光栅上的物理量变化。本申请采用一种等光频间隔采样的方式获取光栅阵列的光谱，进而实现光纤光栅阵列的波长解调与准分布式物理量测量。获得了大范围访问带宽，使得可以复用更多数量的光纤光栅，提高了单个光纤光栅可探测到的物理量测量的量程。本申请还公开了相应的装置和系统。置和系统。置和系统。
【技术实现步骤摘要】
一种高分辨力准分布式物理量测量方法、装置及系统
[0001]本专利技术属于光纤传感
，尤其涉及一种高分辨力光纤光栅阵列测量方法、装置及系统。
技术介绍
[0002]光纤光栅阵列是在一根光纤上逐个位置刻写光纤光栅的光纤传感器，各个光纤光栅通常具有较强的反射率，且中心波长各不相同。由于传感器上的光纤光栅分布于空间离散位置上，故具有该形式的光纤光栅阵列是准分布式光纤传感器。传感器在使用时一般位于被测对象处，可以感测被测对象不同位置的温度或者应变等物理量。物理量的变化会导致光栅的中心波长发生偏移。光纤光栅阵列解调方法有很多种，包括FP滤波器法，可调谐光源法，宽带光源波分复用法等([1]王庆华,基于FBG传感信号解调技术的研究,2006,燕山大学.[2]代勇波,光纤光栅传感特性与多点复用技术研究,2012,哈尔滨工业大学)。各种方法的目的都是得到光纤光栅阵列上不同位置光栅的中心波长值，进而获取被测物理量信息。
[0003]基于直接强度探测的光纤光栅阵列物理量测量方法与装置中使用窄线宽可调谐激光器作为系统光源，要求被测光纤光栅阵列上各个光栅的中心波长具有一定间隔且保证相邻中心波长的光栅在发生外界物理量变化的作用后中心波长不重合，也就是每个光栅都具有各自独立的带宽。可调谐光源总的调谐带宽(调谐范围)决定了单根光纤传感器上可复用的光纤光栅的最大数量以及每一个光栅所占用的带宽。每一个光栅所占用的带宽和被测物理量量程直接相关。以上特征和宽带光源波分复用与解调方法很像，但是由于是通过波长逐点扫描来获取整个带宽下各个光栅的光谱，因此基于直接强度探测的光纤光栅阵列物理量测量方法的测量精度和光谱分辨力更高。光谱分辨力取决于光谱的原始采样点间距。对于该解调装置和方法中，为了进一步提高复用数量以及测量量程和分辨力，需要可调谐光源具有更宽的调谐范围以及光谱分辨力。现有基于直接强度探测的光纤光栅阵列物理量测量装置与方法采用的可调谐光源如DBR激光器，对于该采用该激光器的光纤光栅阵列解调装置，一般是步进式扫描，如每步进1pm触发一次采集，通过在全波段的步进扫描与采集，恢复出整个波段的光纤光栅阵列光谱信息([1]崔巍,苏建加,姜培培,吴波,沈永行.基于可调谐半导体激光器的高分辨率多路复用光纤光栅波长解调系统[J].光子学报,2016,45(07):65-7[2]楚奇梁.基于可调谐激光器的光纤光栅波长解调系统误差分析与仪器化研究[D].天津大学,2018.)。但是该方法调谐范围有限(DBR激光器调谐范围在15nm左右)且因为是步进式扫描，所以光谱的原始采样点也为步进量1pm，限制了原始光谱分辨力也就限制了被测物理量的分辨力。
[0004]分布式反馈激光器是半导体激光器的一种，分布式反馈激光器的波长不仅可随电流或温度连续调谐,还具有线宽窄、频率稳定度高等优点。由于温度调谐灵敏度高且波长调谐范围大，故通常情况下采用温度进行波长调谐。但是温度调谐速度慢，通常不超过5nm/s。对于一般的商用的分布式反馈激光器，温度每变化1摄氏度，波长变换0.1nm左右，调谐范围一般低于5nm。另一方面，激光器驱动电流调谐实现的波长调谐灵敏度低，调谐范围小，通常
在标称安全电流以下每mA对应波长变换量为1pm左右。因此，在可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)，密集波分复用(DWDM)等场景下，一般将分布式反馈激光器的驱动电流设置为恒定值，而仅通过改变温度来实现波长调制。
[0005]近年来有学者指出可以通过短时间对分布式反馈激光器施加超过安全电流的调制电流来对激光器实现更宽范围的波长调谐，如Njegovec等人通过实验验证了采用持续时间200ns，峰值电流2A的的斜坡驱动电流信号下对分布式反馈激光器调谐波长达到10nm，这一驱动方式有效拓展了单个分布式反馈激光器的电流驱动下的波长调谐范围。(Njegovec,M.and D.Donlagic,Rapid and broad wavelength sweeping of standard telecommunication distributed feedback laser diode.Opt Lett,2013.38(11):p.1999-2001.)
[0006]另一方面，分布式反馈阵列激光器(DFB阵列激光器)近年来应用于光通信领域，在光传输网和光互联等以及其他波分复用系统中得到重要应用(参考文献：[1]马丽,朱洪亮,梁松,王宝军,张灿,赵玲娟,边静,陈明华.DFB激光器阵列与MMI耦合器、SOA的单片集成.光电子.激光,2013,24(03):424-428.[2]Kobayashi,Go,et al.Narrow linewidth tunable light source integrated with distributed reflector laser array.Optical Fiber Communication Conference.Optical Society of America,2014.[3]Ni Y,Kong X,Gu X,et al.Packaging and testing of multi-wavelength DFB laser array using REC technology.Optics Communications,2014,312:123-126.)。
技术实现思路
[0007]本专利技术将分布式反馈阵列激光器应用于基于直接强度探测的光纤光栅阵列物理量测量装置中，并采用一种等频率间隔采样的方式获取光栅阵列的光谱，进而实现光纤光栅阵列的波长解调与准分布式物理量测量。
[0008]本专利技术的一些实施例提供了一种高分辨力准分布式物理量测量方法，通过耦合于待测物体的光纤光栅阵列测量待测物体的物理量变化，包括步骤：提供分布式反馈阵列激光器中所述选定的激光二极管通过所述改变其驱动电流以使得相邻选定的激光二极管发出具有重叠的波长范围的激光输出从而连续地覆盖全部所述选定的激光二极管的所述输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；提供包含所述激光输出的绝对波长信息的绝对波长监测信号；提供所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的直接强度探测信号；同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的绝对波长监测信号，以及所述直接强度探测信号；根据所述的绝对波长信息确定所述相对波长监测信号和所述直接强度探测信号的拼接点；根据所述拼接点去除所述直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的直接强度探测信号；基于所述拼接后直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列不同光纤光栅在该物理状态下的中心波长；将所述中心波长与所述光纤光栅阵列上各个光纤光栅各自的初始中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到所述光纤光栅阵列上各个光纤光栅上的物理量变化。
[0009]本专利技术的另一些实施例提供了一种高分辨力准分布式物理量测量装置，用于通过耦合于待测物体的光纤光栅阵列测量待测物体的物理量变化，该装置包括分布式反馈阵列
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高分辨力准分布式物理量测量方法，通过耦合于待测物体的光纤光栅阵列测量待测物体的物理量变化，其特征在于，包括步骤：提供分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过改变其驱动电流以使得相邻选定的激光二极管发出具有重叠的波长范围的激光输出从而连续地覆盖全部所述选定的激光二极管的所述输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；提供包含所述激光输出的绝对波长信息的绝对波长监测信号；提供所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的直接强度探测信号；同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的绝对波长监测信号，以及所述直接强度探测信号；根据所述的绝对波长信息确定所述直接强度探测信号的拼接点；根据所述拼接点去除所述直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接后直接强度探测信号；基于所述拼接后直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列不同光纤光栅在该物理状态下的中心波长；将所述该物理状态下的中心波长与所述光纤光栅阵列上各个光纤光栅各自的初始中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到所述光纤光栅阵列上各个光纤光栅上的物理量变化。2.根据权利要求1的方法，其特征在于：还包括提供包含所述激光输出的相对波长信息的相对波长监测信号，在同步采集所述绝对波长监测信号以及所述直接强度探测信号的步骤同步采集所述相对波长监测信号；根据所述拼接点去除所述相对波长监测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的相对波长监测信号，以及利用所述拼接后相对波长监测信号确定等光频间隔采样点；利用所述绝对波长监测信号对所述等光频间隔采样点的间隔值进行校准；利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后直接强度探测信号进行重采样，得到经重采样的拼接后直接强度探测信号；以及基于所述拼接后直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅的光谱的峰值所在位置。3.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述的物理量变化包括温度或应变以及导致光纤上所述光纤光栅阵列发生应变或温度变化的其他物理量。4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：所述的光纤光栅阵列的原始光谱分辨力等于所述的等光频间隔值。5.一种高分辨力准分布式物理量测量装置，用于通过耦合于待测物体的光纤光栅阵列测量待测物体的物理量变化，其特征在于该装置包括：分布式反馈阵列激光器，配置为提供分布式反馈阵列激光器中所述选定的激光二极管通过所述改变其驱动电流以使得相邻选定的激光二极管发出具有重叠的波长范围的激光输出从而连续地覆盖全部所述选定的激光二极管的所述输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；直接强度探测单元，包括用于将光导入到所述光纤光栅阵列的光纤耦合器或者环形器，以及耦合于所述环形器或者光纤耦合器的光电探测器，所述探测单元被配置为将所述
激光输出导入所述光纤光栅阵列并将所述光纤光栅阵列的反射光转换为直接强度探测信号；绝对波长监测单元，配置为接收所述激光输出并提供包含所述激光输出的绝对波长信息的激光输出波长监测信号；采集单元，配置为同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的绝对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的直接强度探测信号；以及数据处理单元，配置为：根据所述的绝对波长信息确定直接强度探测信号的拼接点；根据所述拼接点去除所述直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的直接强度探测信号；基于所述拼接后直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；...
【专利技术属性】
技术研发人员：武湛君，赵士元，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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